(57)【要約】【課題】  燃料電池の出力する電力および熱をそれぞれの負荷に供給するシステムにおいて、熱需要を低損失で予測し高効率な運転が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池１の発電運転に伴なう発熱で温めた温水を蓄える貯湯タンク５に、上下方向に間隔を置いて複数の温度検出器１２１〜１２３を配置し、これらの検出温度から貯湯タンク５内の蓄熱量を判定する。この蓄熱量の減少量から給湯需要の実績を検出し、今後の給湯需要を予測し、燃料電池１の運転を制御する。【選択図】  図１
2006286450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、この燃料電池の発電運転に伴なう発熱で温めた温水を蓄える貯湯タンクと、この貯湯タンクに備えられ貯湯タンク内の水温を検出する複数の温度検出器と、これらの温度検出器の出力に基いて貯湯タンクによる蓄熱量を判定する蓄熱量判定手段と、この蓄熱量判定結果に応じて前記燃料電池の出力を制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項1において、複数の前記温度検出器を、前記貯湯タンクの高さ方向に間隔を開けて配置したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項1において、前記蓄熱量判定手段で判定した蓄熱量の減少に基づき、時刻に関する情報と給湯量に関する情報を含む給湯情報を演算する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項1において、前記蓄熱量判定手段で判定した蓄熱量の減少により給湯量を演算する給湯量演算手段と、この給湯量演算手段による過去の給湯量情報を給湯履歴として蓄積する給湯履歴蓄積手段と、この給湯履歴に基づき将来の給湯予測データを演算する給湯予測手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４において、前記給湯予測手段は、２４時間を所定の間隔で区分した複数の時間帯ごとに給湯予測データを演算する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４において、外部からデータ入力が可能なインターフェース装置を備え、前記給湯予測手段は、前記インターフェース装置から入力されたデータに基づく複数の時間帯ごとに、前記給湯予測データを演算するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１において、前記蓄熱量判定手段で判定した蓄熱量の減少に基づき給湯量情報を演算する手段と、給湯量演算手段による過去の給湯量情報を給湯履歴として蓄積する給湯履歴蓄積手段と、この給湯履歴に基づき将来の給湯予測データを演算する給湯予測手段と、外部からデータ入力が可能なインターフェース装置とを備え、前記給湯予測手段は、前記インターフェース装置から入力されたデータに基づき、前記給湯予測データの演算方法を変更するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１において、前記蓄熱量判定手段で判定した蓄熱量の減少に基づき給湯量情報を演算する手段と、給湯量演算手段による過去の給湯量情報を給湯履歴として蓄積する給湯履歴蓄積手段と、この給湯履歴に基づき今後の給湯予測データを演算する給湯予測手段と、外部からデータ入力が可能なインターフェース装置とを備え、前記給湯予測手段は、前記インターフェース装置から入力されたデータに基づき、特定の時間帯に関する前記給湯予測データを変更するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項1において、前記蓄熱量判定手段で判定した蓄熱量の減少により給湯量を演算する給湯量演算手段と、この給湯量演算手段による過去の給湯量情報を給湯履歴として蓄積する給湯履歴蓄積手段と、この給湯履歴に基づき将来の給湯予測データを演算する給湯予測手段と、この給湯予測データに応じて前記燃料電池の出力を変更する電池出力変更手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９において、前記電池出力変更手段は、前記燃料電池が発電状態であり、前記給湯予測データと前記貯湯タンクの前記蓄熱量との関係に基き、前記燃料電池の出力を増減することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９において、前記電池出力変更手段は、前記燃料電池が発電状態であり、前記給湯予測データに対して前記貯湯タンクの前記蓄熱量が所定の関係を下回っていることに基き、前記燃料電池の出力を定格最大出力に増加することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項９において、前記電池出力変更手段は、前記燃料電池が発電状態であり、将来２４時間以内の前記給湯予測データに対して、前記貯湯タンクの前記蓄熱量が所定の関係を下回っていることに基き、前記燃料電池の出力を定格最大出力に増加することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項1において、前記蓄熱量判定手段で判定した蓄熱量の減少により給湯量を演算する給湯量演算手段と、この給湯量演算手段による過去の給湯量情報を給湯履歴として蓄積する給湯履歴蓄積手段と、この給湯履歴に基づき将来の給湯予測データを演算する給湯予測手段と、この給湯予測データに応じて前記燃料電池を起動停止する燃料電池起動停止手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３において、前記燃料電池起動停止手段は、前記燃料電池が発電状態であるとき、前記給湯予測データに基づき、前記燃料電池の発電の継続もしくは待機の判断を行う継続待機判断手段と、この継続待機判断手段の判断結果に応じて前記燃料電池を運転継続又は停止させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１３において、前記燃料電池起動停止手段は、前記燃料電池が発電状態であり、且つ前記燃料電池システムの前回起動後の蓄熱量が今後２４時間の給湯予測データを超えたとき、前記燃料電池システムを発電待機させた場合の再起動時刻に基づく前記発電待機の時間の長さを予測し、この発電待機の予測時間が所定時間よりも短いとき、前記燃料電池の発電を継続させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１において、前記蓄熱量判定手段で判定した蓄熱量の減少により給湯量を演算する給湯量演算手段と、この給湯量演算手段による過去の給湯量情報を給湯履歴として蓄積する給湯履歴蓄積手段と、この給湯履歴に基づき将来の給湯予測データを演算する給湯予測手段と、この給湯予測データに基き前記燃料電池の出力を変更する第１の運転制御アルゴリズムと、前記給湯予測データに無関係に前記燃料電池の発電を制御する第２の運転制御アルゴリズムと、外部からデータ入力が可能なインターフェース装置と、このインターフェース装置によって入力されたデータに基いて前記第１又は第２の運転制御アルゴリズムによって前記燃料電池を運転制御する運転制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１において、前記蓄熱量判定手段で判定した蓄熱量の減少により給湯量を演算する給湯量演算手段と、この給湯量演算手段による過去の給湯量情報を給湯履歴として蓄積する給湯履歴蓄積手段と、この給湯履歴に基づき将来の給湯予測データを演算する給湯予測手段と、負荷電力に追従し受電電力を抑制する第１の運転制御モードと、前記貯湯タンクの蓄熱量を最大にする第２の運転制御モードと、前記給湯予測データを用いてエネルギー消費を抑制する第３の運転制御モードと、前記給湯予測データを用いて光熱費を抑制する第４の転制御モードと、これらのモードの１つを選択入力する入力手段と、この入力手段によって入力された１つのモードで前記燃料電池を運転制御する運転制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１において、前記蓄熱量が所定量を超えたとき、蓄熱量が十分である旨の報知を行う報知手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】
燃料電池の発電運転にともなう発熱で温めた温水を貯湯タンクに蓄えるステップと、この貯湯タンクの高さ方向に間隔を開けて配置した複数の温度検出器により貯湯タンク内の水温を検出するステップと、これらの温度検出器の出力に基いて、貯湯タンクによる蓄熱量を判定するステップと、判定した蓄熱量の減少により給湯量を演算するステップと、この給湯量の過去の情報を給湯履歴として蓄積するステップと、この給湯履歴に基づき将来の給湯予測データを演算するステップと、前記蓄熱量と前記給湯予測データとに基いて前記燃料電池を運転制御するステップとを備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項２０】
燃料電池と、この燃料電池の発電運転にともなう発熱で温めた温水を蓄える貯湯タンクと、この貯湯タンクの高さ方向に間隔を開けて配置され貯湯タンク内の水温を検出する複数の温度検出器と、これらの温度検出器の出力に基いて貯湯タンクによる蓄熱量を判定する蓄熱量判定手段と、この蓄熱量判定手段で判定した蓄熱量の減少に基いて給湯量を演算する給湯量演算手段と、この給湯量演算手段による過去の給湯情報を給湯履歴として蓄積する給湯履歴蓄積手段と、この給湯履歴に基づき将来の給湯予測データを演算するステップと、前記蓄熱量と前記給湯予測データとに基いて前記燃料電池を運転制御する運転制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて電気負荷および熱負荷にエネルギーを供給する燃料電池システム、その制御方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、住宅の電力および熱のエネルギー源として燃料電池を用いることが検討されている。燃料電池は化学エネルギーを直接電力に変換できるので優れた変換効率が得られる。また、燃料電池の発電に伴う熱を利用して、トータルのエネルギー効率を高める、いわゆるコージェネレーションシステムが検討されている。特許文献１には、電力および給湯の需要を予測し、最適な運転計画を予め設定して発電および給湯を実現するコージェネレーションシステムが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２６３６２２号公報（全体）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、給湯需要の予測に必要な給湯需要検出手段として、上記特許文献１のように、給湯流量センサを用いると、流量センサの電力損失が大きく、エネルギー効率を悪化させる問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、エネルギー効率の高い燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明はその一面において、燃料電池の発電運転に伴なう発熱で温めた温水を貯湯タンク蓄え、この貯湯タンク内の貯湯の温度を検出する複数の温度検出器の出力に基いて、貯湯タンクによる蓄熱量を判定し、この蓄熱量の判定結果に応じて、前記燃料電池の出力を制御することを特徴とする。
【０００７】
本発明の望ましい実施態様においては、前記蓄熱量の判定に基く給湯需要情報を利用して今後の給湯需要を予測し、この予測に応じて前記燃料電池の出力を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の望ましい実施態様によれば、低損失で給湯需要を検出でき、燃料電池の高効率運転を提供できる。
【０００９】
本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態で明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概要を示す全体構成図である。この燃料電池システムの電力出力の主回路から、その構成を説明する。まず、燃料電池１の電気出力端子はＤＣ／ＤＣコンバータ２に接続され、燃料電池１の出力電流が制御される。このＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力側は、直流コンデンサ３と、ＤＣ／ＡＣインバータ４に接続され、直流出力電力は、交流電力に変換される。ＤＣ／ＡＣインバータ４の出力は、高調波除去用のリアクトル２０とコンデンサ２１および遮断投入手段２４を介して、家庭内の電力負荷２５に供給される。また、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ２とＤＣ／ＡＣインバータ４間の直流電路は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５を介して蓄電池４４に接続されている。このＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、蓄電池４４の充放電を制御する双方向コンバータである。この燃料電池システムは、詳細を後述する制御装置２９により運転制御されている。
【００１２】
前記遮断投入手段２４を介して電力負荷２５に接続された高調波除去後のシステム出力は、家庭内受電盤２７を介して商用系統電源２８へ接続されている。
【００１３】
電気系統の電流／電圧の検出を説明しておく。まず、燃料電池１とＤＣ／ＤＣコンバータ２の接続線上にある電圧検出手段１７および電流検出手段１８は、それぞれ、燃料電池の電圧３８および電流３９を検出する。また、ＤＣ／ＡＣインバータ４の出力電流および電圧は、それぞれ、電流検出手段２２および電圧検出手段２３により、電流検出値３５および電圧検出値３６として検出される。一方、商用系統電源２８から家庭内受電盤２７を介して流れる電流を受電電流検出手段２６により受電電流検出値３７として検出する。さらに、蓄電池４４と双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ４５の接続線上の電流検出手段４６と電圧検出手段４７は、それぞれ、電流検出値４８と電圧検出値４９を検出する。蓄電池４４の充電量５１は、蓄電池の電圧、電流積算値、温度を用いて推定する。また、直流コンデンサ３の両端には電圧検出手段１９が設けられ、電圧検出値４１を出力する。
【００１４】
さて、燃料ガス製造手段１４により発生した燃料ガス１５は、燃料ガス弁１６により適正な流量に制御され、燃料電池１に燃料として供給される。
【００１５】
次に、燃料電池１で発生した熱エネルギーの利用について説明する。まず、燃料電池１には、その冷却を目的とした循環水経路７が接続されている。循環水タンク８から出た水が、燃料電池１の内部を通過した後に熱交換器６の一次側を通過し、循環水タンク８に戻るように循環水経路７が配管されている。水処理装置１３は、純度の高い水を循環水経路７に供給する。
【００１６】
家庭の上水道などの取水手段９から取水した水道水を貯める貯湯タンク５があり、貯湯タンク５の底部の水は循環ポンプ３１により熱交換器６の二次側を通過し貯湯タンク５の頂部へ循環する。貯湯タンク５と熱交換器６とに水を緩やかに循環させ、熱交換器６の前後の温度差により、貯湯タンク５の上側から温水、貯湯タンク５の底側には冷水が集中し、これらは殆んど混ざり合うことなく上下方向に層状の温度分布ができる。また、貯湯タンク５の底部から出た水を温め、貯湯タンク５の頂部に供給する追焚き装置１０も配管されている。ここで、貯湯タンク５の頂部から混合弁５５に温水が供給され、同時に、混合弁５５へ供給した温水量と同量の水道水が、取水手段９から貯湯タンク５の底部に供給される。したがって、貯湯タンク５内部の総水量は一定（満タン）に保たれる。混合弁５５は、貯湯タンク５の頂部より得られる温水と、取水手段９より得られる冷水を、混合弁制御指令５７に基づき混合する。混合弁５５で混合した水出力は、一方では電磁弁５９へ、他方は手動混合弁６１へ供給される。電磁弁５９は、弁開閉指令６０により開閉される。手動混合弁６１は、家庭内住人が使用する混合バルブでも良い。手動混合弁６１および電磁弁５９の出力の一方または両方は、家庭内熱負荷１１へ供給される。
【００１７】
次に、給湯関係のセンサ類について説明する。
【００１８】
貯湯タンク５には、複数個の温度検出器１２１〜１２３からなる水温検出手段１２を設け、水温検出値３０を検出する。水温検出器１２１〜１２３には、例えばサーミスタを、貯湯タンク５の内面もしくは外面に高さ方向に間隔を置いて配置する。混合弁５５の出口温度は、例えばサーミスタや熱電対などの混合温度検出手段５６により検出される。これらの検出値の出力は、すべて制御装置２９へ入力される。
【００１９】
以上の燃料電池システムでは、その燃料ガス弁１６、ＤＣ／ＤＣコンバータ２、ＤＣ／ＡＣインバータ４、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ４５、追い焚き装置１０並びに電磁弁５９は、それぞれ制御装置２９によって制御される。制御装置２９は、燃料ガス弁開度指令４３、パルス指令４０、４２、５０および弁開度指令３４，６０を出力する。制御装置２９には、運転者が入力を行うインターフェース装置５２からの後述するシステム給湯出力温度指令５３が入力される。インターフェース装置５２には、リモコン、パソコンおよび携帯型通信端末などを用いることができる。また、システム給湯出力温度指令５３の伝送には、信号線あるいは無線通信やインターネットなどを用いることができる。
【００２０】
図２は、本発明の一実施形態による制御装置（システム出力制御装置）２９の機能ブロック図である。
【００２１】
位相・電圧検出手段１０２は、交流電圧検出値３６により交流電圧位相１０７および交流電圧振幅１０８を検出する。連系電流制御手段１０３は、交流電圧位相１０７、交流電圧振幅１０８、連系電流検出値３５および直流電圧検出値４１に基づき、連系電流を制御するＤＣ／ＡＣインバータ４に対しパルス指令４２を出力する。受電電力演算手段１０１は、受電電流検出値３７および交流電圧検出値３６の各実効値の積により受電電力１０６を求める。
【００２２】
システム出力演算手段１０４は、受電電力１０６、畜熱量判定値１１２、蓄電池電圧４９および充電量５１に基づき、燃料電池電流指令１０９、蓄電池電流指令１１４および燃料ガス弁開度指令４３を演算する。燃料電池電流制御手段１０５は、燃料電池電流指令１０９と燃料電池電流検出値３９に基づきパルス指令４０を出力する。このパルス指令４０に基づき、燃料電池電流を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池１からの給電を制御する。さらに、蓄電池電流制御手段１１３は、蓄電池電流指令１１４と蓄電池電流検出値４８に基づき、パルス指令５０を出力する。蓄電池電流を制御する双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、このパルス指令５０に基づき、蓄電池４４の充放電制御を行う。
【００２３】
蓄熱量判定（検出）手段１１０は、複数の水温検出値３０により貯湯タンク５の蓄熱量（貯湯量）を判定し、畜熱量判定（検出）値１１２を出力する。また、追焚き指令手段１１１は、畜熱量判定値１１２が所定値以下の場合に追焚き装置１０に追い焚き指令３４を送信し湯切れを防ぐ。給湯制御手段１１５は、受信したシステム給湯出力温度指令５３および湯張り情報に基づき、混合弁制御指令５７および弁開閉指令６０を出力する。ここで、混合弁制御指令５７は、混合温度検出値５８をシステム給湯出力温度指令５３もしくは湯張り温度指令に一致させるようなフィードバック制御の操作量として演算される。また、弁開閉指令６０は、湯張り設定時刻に、家庭内熱負荷１１の一部である浴槽に湯張りが完了するように指令される。
【００２４】
図３は、本発明の一実施形態による蓄熱量判定手段１１０の機能ブロック図である。
【００２５】
貯湯タンク５の内部には、上側に高温、底側に低温の二つの層に水が分布しているため、高温の層（図中斜線）の水量を検出することで貯湯タンク５の蓄熱量（貯湯量）を判定できる。高温の層の水量は水温検出手段１２の水位で判定され、本実施形態では水温検出手段１２の水温検出器１２１〜１２３を３点とした場合について述べる。水温比較器３２１〜３２３は、水温検出値３０１〜３０３をそれぞれ所定の水温閾値と比較し、閾値以上であれば１、閾値未満であれば０を出力する。そこで、全ての水温比較器３２１〜３２３の出力の和に、乗算器３３で所定の係数を乗算すれば、畜熱量判定値１１２を得ることができる。
【００２６】
ここで、貯湯タンク容積を等分する位置、例えば１０Ｌ間隔に水温検出器１２１〜１２３を設置し、係数器３３の係数に等分にした各容積値１０Ｌを用いれば、貯湯タンク５の蓄熱量を判定できる。例えば、図３に示すように、３つの水温検出値３０１〜３０３の値が、それぞれ上側から、６５℃、６５℃、１５℃であれば、畜熱量判定値１１２は２０Ｌとなる。本実施形態では、３点の水温検出器１２１〜１２３を使用しているが、水温検出器の個数を増やし、個々の高さ方向の間隔を狭めれば、より高精度で貯湯タンク５の蓄熱量の判定が可能である。
【００２７】
図４は、本発明の一実施形態によるシステム出力演算手段１０４の機能ブロック図である。
【００２８】
受電電力１０６と受電電力閾値３１０との差が蓄電池出力電力指令３１１となり、蓄電池電流換算手段３１２へ入力される。蓄電池電流換算手段３１２では、この蓄電池出力電力指令３１１に、電圧検出値４９等の任意の換算係数を乗算または割算することにより、蓄電池電流指令１１４に換算し、前記蓄電池電流制御手段１１３に出力する。
【００２９】
燃料電池電力指令３０６と、蓄電池出力電力指令３１１および受電電力１０６とを加算して得られる負荷電力検出値３０７は、急峻な変動を除去するフィルタ３２０を介して負荷電力値３０８に変換され、燃料電池出力演算手段３０２に入力される。フィルタ３０１には、例えば、一次遅れフィルタを用いる。
【００３０】
燃料電池出力演算手段３０２は、負荷電力値３０８と、畜熱量判定値１１２および充電量５１を用いて、燃料電池出力指令３０９を演算し、燃料ガス流量換算手段３２４により燃料ガス弁開度指令４３に変換する。
【００３１】
前記燃料ガス１５は、燃料ガス弁開度指令４３を変更したとき、安定するまで所定の時間が必要なため、燃料電池出力指令３０９は、安定までの時間を考慮した遅延手段３０４を介して燃料電池電力指令３０６として出力される。燃料電池電力指令３０６は、燃料電池電流換算手段３０５において、電圧検出値３８等の任意の換算係数を乗算または割算することにより、燃料電池電流指令１０９に換算され、燃料電池電流制御手段１０５に入力される。
【００３２】
図５は、本発明の一実施形態による燃料電池出力演算手段３０２の機能ブロック図である。
【００３３】
負荷電力比較器３１６は、負荷電力に追従する燃料電池出力を作成する。負荷電力比較器３１６中の縦軸で示すように、燃料電池１の定格出力電力を１００％とした場合に、２０〜３０％程度の間隔で、燃料電池１には離散的な部分負荷出力を持たせる。負荷電力値３０８の増加時は、斜線で示す傾き１の直線より下の範囲に収まる太線上を増加方向へ移動し、一方、負荷電力値３０８の減少時は、傾き１の直線より上の範囲に収まる太線上を減少方向に移動する。
【００３４】
また、充電量補償器３１３は、蓄電池（二次電池）４４の充電量５１を適切な範囲に維持するため、燃料電池出力を調整する。例えば、充電量５１が７０％以上の過充電傾向時には、充電量補償器３１３は‐２５％を出力し燃料電池１の出力を抑制する。その結果、二次電池４４の放電は促され、過充電状態を脱することが可能となる。また、負荷電力比較器３１６と充電量補償器３１３の和は出力リミッタ３１７により、例えば、０％〜１００％に制限された後に、負荷追従燃料電池出力３１５となる。
【００３５】
また、給湯需要予測手段３１８は、畜熱量判定値１１２に基づき、所定の方法で将来２４時間以内の給湯需要予測データ３１９を演算する。全体制御器３１４は、給湯需要予測データ３１９、負荷追従燃料電池出力３１５、畜熱量判定値１１２、並びにシステム給湯出力温度指令５３等のリモコン情報に基づき、所定の演算により燃料電池出力指令３０９を決定する。
【００３６】
図６は、本発明の一実施形態による給湯需要予測データ３１９の演算の概念図である。これは、図５の給湯需要予測手段３１８内部で行われ、過去の給湯需要情報に基づいて、１日分の給湯需要予測データ３１９を演算する。畜熱量判定値１１２は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）システムの発電中の排熱回収や、混合弁５５への貯湯タンク５内部の温水供給に伴い増減する。給湯需要予測手段３１８は、畜熱量判定値１１２の時間変化において、畜熱量判定値１１２が単調減少している期間を捉え、単調減少開始の時刻および単調減少期間の給湯需要などの給湯需要情報を所定期間の給湯需要履歴として逐次保存する。ここで、所定期間とは、例えば、過去１週間、過去１ヶ月、過去１年などで良い。その後、給湯需要履歴を時刻データに基づき、０時〜２４時を３０分間隔で区切った４８の時間帯で分類し、それぞれの時間帯毎に、給湯需要を所定の平均化処理で平均化することで４８の時間帯毎の給湯需要予測データ３１９を算出する。これを、家庭内熱負荷１１の予測値として使用することができる。所定の平均化処理とは、移動平均など統計的な手法によるもので良く、前記所定期間の全履歴に対し適用する他、曜日、季節、祝祭日などの日種で抜き出した履歴に対して適用しても良い。
【００３７】
一般に、燃料電池１の出力変化後には、出力安定化のため数分間の出力変化禁止時間を設ける。例えば、出力変化禁止時間を２０分とすれば充分な安定効果を得ることができる。燃料電池１の出力制御を給湯需要予測データ３１９に基づき行う場合には、給湯需要予測データ３１９の更新に伴う出力変更が出力変化禁止時間よりも短いと、燃料電池１の安定化に影響を与える。また、給湯需要予測データ３１９の間隔が数時間以上と長い場合は、予測の時間分解能が悪化し精度に影響を与える。従って、給湯需要予測データ３１９は、２０分〜３０分間隔で区切った時間帯で管理することで燃料電池システムに好適な予測データを得ることができる。
【００３８】
以上の給湯需要予測方法であれば、家庭内熱負荷１１への温水の流量を検出し、この流量に基き給湯需要を予測する場合よりも、低損失の温度センサで家庭内熱負荷１１の給湯需要を予測できるため、高効率の燃料電池システムを提供できる。
【００３９】
コージェネレーションシステムを個別の家庭に設置して電力と熱を利用する場合は、家族構成や季節により電力と熱の需要は一様ではないため、設置した家庭の電力と熱の需要の変化に合わせた運転が必要となる。家庭の電力需要は一日の平均値に対する変動が大きいため、電力需要変動に追従して出力を切り替える運転アルゴリズム（モード１）が一般的である。寒冷地など熱需要の大きい家庭においては給湯を優先し、貯湯タンク５が温水で満タンになるまで定格出力運転を継続し、余剰電力も貯湯タンク５や循環水経路７に設置したヒータ等で熱エネルギーに変換する運転アルゴリズム（モード２）も用いられる。但し、コージェネレーションシステムは、電力と熱の２つのエネルギーを合わせた総合効率が高いことが特徴であるため、電力もしくは熱のみに適した運転を行った場合には省エネルギー効果や光熱費削減効果を充分に得ることができない可能性がある。そこで、省エネルギー効果が向上するような運転アルゴリズム（モード３）、もしくは光熱費削減効果が向上するような運転アルゴリズム（モード４）では、熱需要の予測に基づき電力需要変動に追従した最適出力となるよう、所定の演算で補正する。以上の４つの運転アルゴリズムは、運転者が、インターフェース装置５２から選択可能とすることにより、利便性の高い燃料電池システムを提供することができる。例えば、予測を用いたモード３で運転している状態で、予測と大きく異なる生活パターンが行われることを予知した場合には、予測を用いないモード２に切り替えることで、適正な燃料電池１の出力運転を提供できる。
【００４０】
図７は、本発明の一実施形態におけるインターフェース装置５２としてのリモコンの操作・表示面の一例図である。
【００４１】
リモコンには、次のような操作部および表示部を配置している。まず、ＰＥＦＣシステムの運転／停止を行う運転／停止ボタン４０１、現在時刻を表示する時刻表示４０２、４モードの運転アルゴリズムから任意の１つ選択する運転モード設定部４０３がある。次に、運転による電力出力、受電電力、負荷電力、光熱費削減効果、省エネ効果などを表示する出力表示部４０４、貯湯タンク５の畜熱量判定値１１２の度合いを示す蓄熱量（貯湯量）表示部４０５がある。また、システム給湯の出力温度指令を設定する給湯出力温度設定部４０６、自動で浴槽の湯張り機能の有無を選択し、浴槽湯張り機能が有りの場合の湯張り量、湯張り温度、湯張り時刻を設定する湯張り設定部４０７、寿命、メンテナンス、燃料タンクの残量などを表示するメンテナンス表示部４０８である。さらに、ナビ表示部４０９、ＤＳＳ（デイリー・スタート・ストップ：１日１回以上の起動停止を伴なう）運転／連続運転を選択し、ＤＳＳ運転の起動時刻と停止時刻を設定するＤＳＳ設定部４１０、キータイム時間帯を選択するキータイム設定部４１１を備える。
【００４２】
上記ＤＳＳ運転は、運転する時間帯を予定し、１日１回以上の起動停止を行う運転を、他方の連続運転は、異常時以外、停止しない運転を意味する。また、ナビ表示部４０９は、貯湯タンク５の温水の使用や、電力負荷の使用による省エネルギー効果や光熱費の削減効果の表示を行って、運転者の給湯需要意欲を喚起するものであり、画面表示のほか、音声によって報知しても良い。さらに、キータイム時間帯とは、１日のうちで、大きな給湯需要が見込まれる炊事、入浴など、本システムの制御上、注目すべき時間帯である。普段の生活からキータイム時間帯が予想される場合には、リモコン５２上よりキータイム時間帯を設定入力できるものとする。また、ＤＳＳ運転選択時の起動時刻と停止時刻、およびキータイム時間帯は、例えば１日２４時間を３０分で区切った４８時刻より選択するものとする。
【００４３】
図８は、本発明の一実施形態によるインターフェース装置５２において、湯張り機能が設定されている場合に、給湯需要予測データ３１９を変更する処理ステップ概念図である。図６に示した給湯需要予測データ３１９のうち、インターフェース装置５２で設定された湯張り設定時刻が属する時間帯ｔｐの給湯需要予測データ３１９と、インターフェース装置５２で設定された湯張り設定に必要な貯湯タンクの温水量Ｌｐを比較する。そして、いずれか大きい方を時間帯ｔｐの新たな給湯需要予測データ３１９とする。ここで、インターフェース装置５２で設定された湯張り量Ｌｙ、湯張り温度Ｔｙ、貯湯タンクの温水温度Ｔｔａｎｋ、および水道水温度ＴＷとした場合、Ｌｐは（１）式で求めることができる。図８に示した処理ステップによれば、湯張りに必要な蓄熱量（貯湯量）Ｌｐを確実に確保することができる。
【００４４】
Ｌｐ＝Ｌｙ×（Ｔｐ−Ｔｗ）／（Ｔｔａｎｋ−Ｔｗ）                        （１）
図９は、本発明の一実施形態によるインターフェース装置５２において、キータイム時間帯が設定されている場合に、給湯需要予測データ３１９を変更する処理ステップの概念図である。図７に示した給湯需要予測データ３１９に対し、キータイム時間帯Ｔk1およびＴk2の２つが設定されたケースを示す。この場合には、図９に示すように、キータイム設定時間帯の給湯需要予測データ３１９は、時刻データをキータイム時間帯中の所定時刻に変更するとともに、使用量データをキータイム時間帯の総和に変更する。ここで、所定時刻には、例えば、キータイム設定時間帯の中央時刻や開始時刻を用いる。図９に示した変更処理ステップによれば、予め給湯需要が予測できるキータイム時間帯に関して３０分間隔で離散化した場合よりも予測誤差を抑制することができる。
【００４５】
図１０は、本発明の一実施形態による全体制御器３１４の制御処理フロー図である。
【００４６】
全体制御器３１４では、ステップ１０１にてリモコンの運転／停止ボタン４０１の状態を確認する。ステップ１０１の結果が運転状態であれば、所定の起動待機判断ステップ１０２において起動待機の決定を行った後、ステップ１０３にて起動待機状態を確認する。ステップ１０３の結果が待機状態でなければ、ステップ１０４にてリモコンの運転モード設定部４０３での設定を確認する。ステップ１０３の結果がモード２であれば、燃料電池出力指令３０９を１００％出力とした後、ステップ１０９にて満タンの判定を行う。ステップ１０３の結果がモード２以外の運転モードであった場合は、燃料電池出力指令３０９を負荷追従燃料電池出力３１５とした後、ステップ１０７にて再度リモコンの運転モード設定部４０３での設定を確認する。ステップ１０７の結果がモード１であれば、ステップ１０９へ移る。ステップ１０７の結果がモード１以外であれば、所定の給湯需要予測制御ステップ１０８の処理を行い、その後ステップ１０９へ進む。ステップ１０９では、畜熱量判定値１１２が満タン状態であるか否かを判定する。ステップ１０９の判断結果が満タン状態であった場合は、燃料電池出力指令３０９を最小部分負荷出力とした後、ステップ１１１でリモコンのナビ報知（表示）部に所定のナビ表示を行う。ステップ１０１で運転状態で無いと判断した場合、ステップ１０３にて待機中と判断した場合、ステップ１０９で満タンで無いと判断した場合、並びにステップ１１１でナビ表示を終えた場合は、制御フローの先頭ステップ１０１から処理を再開する。
【００４７】
起動待機判断ステップ１０２においては、モード１およびモード２の場合はインターフェース装置５２のＤＳＳ設定部４１０の設定情報に基づき起動待機を判断し、モード３およびモード４の場合は給湯需要予測データ３１９を用いた演算により起動待機を判断する。また、ステップ９の満タン状態の判定は、畜熱量判定値１１２が所定の蓄熱量閾値Ｈmax以上であった場合を満タン状態と判定する。貯湯タンク５の貯湯が満タンになった場合は熱交換器６の２次側入口温度が上昇し熱を充分に回収できず、総合効率が低下する。そこで貯湯の使用意欲を喚起するナビ報知（表示）１１１を行って貯湯の使用を促すことができれば、満タン状態を回避して総合効率を低下させずに運転を継続することができる。
【００４８】
図１１は、本発明の一実施形態によるモード３およびモード４における給湯需要予測データ３１９を用いた給湯需要予測制御ステップ１０８のアルゴリズムを示す。図１１において、横軸を時間経過とした給湯需要予測データ３１９を、斜線付きの棒グラフＬ１〜Ｌ２で、畜熱量判定値１１２を太実線で示している。また、Ｈ１００は燃料電池１が定格最大出力で発電している際に、熱交換器６で発生する単位時間あたりの平均的な熱出力を示している。図中のＡ点以降では、時刻ｔ２で給湯需要Ｌ２にＬ１を足した位置から、平均的な熱出力Ｈ１００の傾きで破線を引いた線よりも畜熱量判定値１１２が下回る。すなわち、Ａ点の時刻ｔＡから時刻ｔ２まで、燃料電池１を定格最大出力で運転しなければ、給湯需要Ｌ１とＬ２の予測データ３１９に供給できないことになる。畜熱量（貯湯）が家庭内熱負荷１１に対し不足し供給できない場合は、追焚き装置１０を運転して給湯を行うが、一般に追焚き装置１０は、燃料電池１によるエネルギー供給に比べ効率が低いため省エネ効果が悪化する可能性がある。そこで、Ａ点の条件が成立した場合は、時刻ｔ２までは燃料電池１を定格最大出力で運転し、追焚き装置１０を動作させることなく、燃料電池１より熱供給すれば、省エネ効果の高い運転を実現できる。
【００４９】
図１２は、本発明の一実施形態によるモード３およびモード４における起動待機判断ステップ１０２（図１０）のアルゴリズムの概念図を示す。貯湯タンク５が満タンになった場合や、蓄熱量が、給湯需要予測データの一日分に達した場合は、燃料電池１を停止させても、受給バランスがとれる。したがって、燃料電池１を運転しても、その熱を充分に回収することができずに総合効率が低下し、このような低効率の運転は、省エネ効果や光熱費削減効果に影響するため、適宜、燃料電池１の運転を待機させる。但し、一旦運転を待機（休止）させた場合は、待機時や再起動時に待機損失や起動損失が発生するため、待機させずに最低部分負荷出力で燃料電池１の運転を継続した方が、待機した場合よりも有利である状況も考えられる。このため、給湯需要予測データ３１９を用いて、待機させた場合と、最低部分負荷出力で運転継続した場合についてどちらが有効かを判断する。
【００５０】
図１２において、時間経過を横軸に、給湯需要予測データ３１９を斜線付きの棒グラフＬ３〜Ｌ５で示し、畜熱量判定値１１２を太実線で示し、Ｂ点で貯湯タンク５が温水で満タンになった場合の待機（停止）判定の概念を示している。また、ＨＸ１およびＨＸ２は、燃料電池１が所定の部分負荷出力Ｘ１およびＸ２で発電している際に、熱交換器６で発生する単位時間あたりの熱出力の増加の勾配を示している。蓄熱量閾値Ｈmaxは、貯湯タンク５の満タン相当の蓄熱量とする。ここで、所定の部分負荷出力Ｘ１には、省エネルギー効果が得られる最小の部分負荷出力を、他方の部分負荷出力Ｘ２には、光熱費削減効果が得られる最小の部分負荷出力を選択している。つまり、図示する傾斜した２つの実破線は、給湯需要予測データ３１９に供給するために、前記それぞれの部分負荷出力Ｘ１とＸ２で対応できる休止時間の限界を示している。
【００５１】
最初に、仮にＢ点で待機（休止）した場合の再起動時刻を推定する。Ｂ点以降の任意のＣ１点における畜熱量判定値１１２の予測値１１２Ｅが、Ｃ１点以降において、省エネルギー効果が得られる最小の部分負荷出力による傾きＨＸ１の実破線よりも下回ることとなる。したがって、省エネルギー効果が得られる最小の部分負荷出力Ｘ１によって、給湯需要予測データ３１９に供給できるためには、この時刻Ｃ１点で再起動が必要であり、この時刻を推定時刻ｔＣ１とする。また、同様に、光熱費削減効果が得られる最小の部分負荷出力による傾きの実破線ＨＸ２についても、再起動推定時刻ｔＣ２を求める。
【００５２】
次に、モード３の場合は、再起動推定時刻ｔＣ１と現在時刻ｔＢの差時間に基づき、運転を待機した場合と、待機せずに最小部分負荷出力で運転継続した場合について省エネルギー効果を比較する。また、モード４の場合は、再起動推定時刻ｔＣ２と現在時刻ｔＢの差時間に基づき、運転を待機した場合と待機せずに最小部分負荷出力で運転継続した場合について光熱費削減効果を比較する。比較の結果、待機した場合と待機せずに運転継続した場合のどちらか有利な運転を選択することで、省エネ効果もしくは光熱費削減効果を向上することができる。
【００５３】
このようにモード１〜モード４についてそれぞれ運転アルゴリズムを定め、うち給湯需要予測データ３１９に基づき燃料電池１の出力制御を行うことで、省エネ効果もしくは光熱費削減効果を向上できる燃料電池システムを実現できる。
【００５４】
また、この実施形態による給湯需要の予測によれば、給湯流量センサを設けて家庭内熱負荷１１への温水流量を検出した場合よりも、低損失な温度センサで、家庭内熱負荷１１の予測ができるため高効率の燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池システムの概要を示す全体構成図。
【図２】図１におけるシステム出力制御装置の機能ブロック図。
【図３】図２における蓄熱量判定手段の機能ブロック図。
【図４】図２におけるシステム出力演算手段の機能ブロック図。
【図５】図４における燃料電池出力演算手段の機能ブロック図。
【図６】図５における給湯需要予測手段の演算の概念図。
【図７】図１におけるインターフェース装置（リモコン）の操作・表示面の一例図。
【図８】図５の給湯需要予測手段の湯張り機能に関する処理ステップ概念図。
【図９】図５の給湯需要予測手段のキータイム機能に関する処理ステップ概念図。
【図１０】図５における全体制御器の制御処理フロー図。
【図１１】図１０における給湯需要予測制御ステップのアルゴリズムの概念図。
【図１２】図１０における起動待機判断ステップのアルゴリズムの概念図。
【符号の説明】
【００５６】
１…燃料電池、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３…直流コンデンサ、４…ＤＣ／ＡＣインバータ、５…貯湯タンク、６…熱交換器、７…循環水経路、８…循環水タンク、９…取水手段、１０…追焚き装置、１１…家庭内熱負荷、１２…水温検出手段、１２１〜１２３…温度検出器、１３…水処理装置、１４…燃料ガス製造手段、１５…燃料ガス、１６…燃料ガス弁、１７…燃料電池電圧検出手段、１８…燃料電池電流検出手段、１９…直流電圧検出手段、２０…リアクトル、２１…コンデンサ、２２…連系電流検出手段、２３…交流電圧検出手段、２４…遮断投入手段、２５…家庭内電力負荷、２６…受電電流検出手段、２７…家庭内受電盤、２８…商用系統電源、２９…制御装置（システム出力制御装置）、３０，３０１〜３０３…水温検出値、３１…循環ポンプ、３２１〜３２３…水温比較器、４４…蓄電池、４５…双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ、４６…蓄電池電流検出手段、４７…蓄電池電圧検出手段、５２…インターフェース装置（リモコン）、５５…混合弁、５６…混合温度検出手段、５９…電磁弁、６１…手動混合弁、１０１…受電電力演算手段、１０２…位相・電圧検出手段、１０３…連系電流制御手段、１０４…システム出力演算手段、１０５…燃料電池電流制御手段、１１０…蓄熱量判定手段、１１１…追焚き指令手段、１１３…蓄電池電流制御手段、１１５…給湯制御手段、３０２…燃料電池出力演算手段、３２４…燃料ガス流量換算手段、３０４…遅延手段、３０５…燃料電池電流換算手段、３１２…蓄電池電流換算手段、３１３…充電量補償器、３１４…全体制御器、３１６…負荷電力比較器、３１７…出力リミッタ、３１８…給湯需要予測手段、３１９…給湯需要予測データ、４０１…運転／停止ボタン、４０２…時刻表示部、４０３…運転モード設定部、４０４…出力表示部、４０５…蓄熱量（貯湯量）表示部、４０６…給湯出力温度設定部、４０７…湯張り設定部、４０８…メンテナンス表示部、４０９…ナビ報知（表示）部、４１０…ＤＳＳ設定部、４１１…キータイム設定部、Ｌ１〜Ｌ５…給湯需要予測データ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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